随着封装、中介层和面板尺寸不断增大，翘曲正成为一个日益突出的制约因素。业界发现，负热膨胀（NTE）材料这一新上市的材料类别有助于抑制翘曲现象。目前商用NTE材料已开始应用于半导体封装领域，但更广泛的普及还取决于温度适用范围、不同材料间的兼容性以及混合的均匀性和纯度等因素。
热致翘曲是由不同材料在受热时膨胀速率的差异所引起的，这一问题在大型芯片和封装中日益突出。解决方案可能在于引入一类新型材料——它们在受热时实际上会收缩。
企业并没有仅仅依赖少数能够收缩的物质，而是将重点放在具有晶格结构的混合材料上，这种结构能够抵抗膨胀的趋势。将此类材料用作底部填充料和封装模塑料，可以在保持翘曲可控的同时，为更大尺寸的封装增加刚性。
翘曲：共同的敌人
翘曲现象，尤其是在大型封装和面板中，是由于基板、芯片以及周围模塑料在受热时的表现不一致所导致的。这是阻碍封装基板、中介层和面板持续增大尺寸的最大问题之一。粘合区域越大，边缘连接不良或彻底失效的可能性就越高。甚至在粘合之前，过度的翘曲就可能使真空吸盘等标准制造设备功能失效。
安靠公司（Amkor）晶圆服务高级经理诺尔顿·奥尔姆斯特德（Knowlton Olmstead）表示："真空吸盘会将翘曲部分压平，但如果翘曲程度过高，就无法形成良好的真空。"
任何两种具有不同热膨胀系数（CTE）的材料相接触的地方，都可能出现一定程度的翘曲。举例来说，假设有两层材料，如果底层的CTE更高，那么它会试图自然膨胀到其应有的程度。但上层材料会对其加以限制（假设两者粘合良好），这将导致底层材料的边缘向上卷曲。
理论上，只要存在CTE差异，就不可能完全阻止翘曲的发生。问题的关键在于翘曲程度是否过高，以及如果过高，该如何应对。
奥尔姆斯特德说："我们会进行一定程度的建模，提前对翘曲情况进行模拟，然后有一些可以调整的手段来控制翘曲。"
如果硅是其中一层材料（这种情况很常见），减薄硅层可以降低翘曲程度。安靠公司芯粒/FCBGA集成副总裁迈克·凯利（Mike Kelly）表示："如果硅层更薄，就能减少低CTE硅层带来的影响。极端情况下，可以把它做得非常薄，这样它就能贴合所连接物体的形状。但这最终会带来问题，因为在管理高功率时，没有人希望使用超薄硅。"
翘曲还会影响新材料的应用前景，例如玻璃。新思科技（Synopsys）首席产品经理林朗（Lang Lin）表示："你试图制造的面板越大，观察到的翘曲就越明显。目前我们讨论的翘曲量级是微米级，但对于玻璃而言，翘曲量可能更大——甚至达到毫米级。"
目前正在探索的一种方法是寻找或设计受热时会收缩的材料，赋予其负CTE特性。
布鲁尔科学公司（Brewer Science）研究科学家四级团队负责人卢克·普伦格（Luke Prenger）表示："负CTE材料可以通过多种方式用于抵消膨胀，具体取决于最初为何需要抵消膨胀。对于应力管理和翘曲减少等应用而言，负CTE材料可以用来更好地匹配不同材料的CTE。一个典型案例是在聚合物材料中添加填料——聚合物的CTE通常远高于无机材料——以降低聚合物基质的整体CTE，使其更接近器件中金属层和其他组件的CTE。将有机层的CTE调节至更接近无机层，有助于减少器件中的翘曲和整体应力累积。"
逆流而上
导致翘曲的一个材料界面是用于填充料和底部填充的环氧模塑料（EMC）。它填充了封装内部所有主要间隙，因此当温度变化时，它会影响到接触到的所有部件。改变该化合物的成分可以减轻翘曲。关键在于改变CTE，理想情况下用负CTE来抵消相邻的正CTE。另外，将正CTE材料与负CTE材料混合，也可以改变组合材料的整体CTE。
多种材料可以表现出真正的负热膨胀（NTE）行为，尽管这种现象通常只在特定温度范围内出现，且可能与相变有关。例如，水在3.98°C以上表现正常，低于此温度则趋向于结冰。众所周知，由于分子结构的原因，冰的密度比水小，因此在3.98°C到0°C之间，随着越来越多的水呈现这种结构，水会持续膨胀，直至最终完全转变为冰。
与表现出真正NTE行为的材料不同，其他物质可能是由普通材料被包裹在限制膨胀的晶格结构中构成的。该晶格结构决定了被包裹物质的行为方式，因此结构本身至关重要。
三菱化学集团半导体业务全球市场营销与业务拓展高级总监桑吉夫·巴特（Sanjiv Bhatt）表示："关键在于填料本身的结构。"
固体可能具有多种分子排列方式。聚合物可以是非晶态的，而无机材料通常具有某种晶格结构。材料科学家会对不同结构进行分类，并研究其流变学特性（即材料流动方式的研究）。
他们会描述各种晶格结构，例如纸牌屋式、刚性棒式或四面体式结构。这些结构的行为方式各不相同，能够在一个或多个维度上建立刚性。晶格内部（也称为基质或网络）的内容物也会影响流动方式，而组合而成的NTE材料正体现了这样一种结构——被限制性基质包裹的功能材料。
巴特解释道："这更多是一种网络效应，而非单纯的材料效应。并非所有物质都会形成相同的网络结构。碳粉会形成絮凝网络。如果你观察碳纤维网络，那是一种增强型刚性棒网络。所以如果你把碳纤维放入基质中，就像河流中的原木。如果我把原木放在水里，它对水的流动能力影响很小。它会有一定的限制作用，但水仍然可以在原木之间找到流动的空间。但如果我在水中加入大量黏土，水就会变浑浊，并且会真正限制水的流动，因为这改变了黏度。"
被困于笼中
这种结构——即一种材料包裹另一种材料的基质——能够限制被包裹物质膨胀的趋势。它甚至可以通过重新调整结构中分子的方向，在受热时略微收缩。从流变学角度看，膨胀和收缩都被视为流动现象，因此在受限的情况下，流动方向会被重新引导，从而避免原本可能出现的翘曲。
巴特说："很多人会谈论收缩和膨胀，但对我而言，从流变学角度看，这些都是低剪切速率的流动。如果你观察基质中的某种物质，加热时它收缩或膨胀的原因是它必须流动。分子想要松弛下来，这种流动会找到最容易的路径。现在你引入某种结构将它笼住，这就改变了流动的动力学特性。"
巴特说："在这些[填料]材料中，存在一种纸牌屋式结构，也就是一种不允许移动的晶格，该网络会自我排列，使得最终形成的基质呈现出负CTE。自组装正是化学发挥作用的地方——你必须确保这些物质被适当地功能化，从而以某种特定方式自我排列。"
一种材料试图膨胀但被另一种结构所约束，这就引出了一个问题：这种基质是否可能在膨胀材料的压力下发生破裂？答案是肯定的。这种现象被称为熔化，此时整个结构就会瓦解。
他说："如果你有一个基质，把它熔化，它开始流动，那就相当于破裂的情况。但到那个时候，材料已经具备了基质的热学特性。"
尽管这种基质改变了其包裹材料的流动特性，但并不会改变该材料的特征温度。巴特指出："增强结构对基质材料的热转变行为影响非常小，它永远不会改变玻璃化转变温度或熔融转变温度。"
这也不是为了打造零CTE材料。其目的是调整化合物的CTE，以最小化不同材料之间的差异。
巴特表示："我们的负CTE填料会随温度升高而收缩，从而抵消树脂的自然膨胀。通过降低并调节模塑料的有效CTE，可以减少芯片、基板和封装材料之间的热膨胀不匹配，有助于最大限度地减少应力和封装翘曲。"
NTE材料的登场
NTE材料较为罕见，这是其一大缺点。普伦格证实："负CTE材料的数量非常有限。β-锂霞石已被积极用作某些工具中块状部件的陶瓷材料，而钨酸锆则被用作各类模塑料和底部填充材料的添加剂。"
锂霞石（意为"深藏不露"）存在于自然界中（据说只要找得够仔细就能发现），而钨酸锆则不然。钨酸锆在三个维度上均表现出NTE特性，是人工合成NTE物质之一。此类材料的设计极具挑战性。
普伦格解释道："负CTE材料本身选择范围就有限，而设计新材料则更为复杂，且仅存在于无机材料领域。对于有机材料而言，几乎所有被标注具有负CTE特性的聚合物材料，其负CTE特性都只体现在一个维度上，而非三个维度。这导致有机材料只能局限于添加无机填料这一途径。"
尽管NTE材料已作为研究课题存在了一段时间，但三菱化学集团最近才将其推向市场。这是一种无机材料，可与有机环氧树脂混合，以定制环氧树脂的CTE。该材料也提供预先与树脂混合好的版本。
图1：三菱化学的NTE材料可混入用于电子封装的环氧树脂中。图源：三菱化学集团
如果这一方案得到验证，并且其他材料公司也纷纷跟进，这可能成为半导体封装领域的标准配方。但要实现商业成功，这些材料必须能在较宽的温度范围内保持性能，不仅要覆盖工艺加工环节，还要涵盖温度更高的制造操作环节。它们必须能够轻松、均匀地混入树脂中。同时，还必须避免因杂质引起的α粒子发射而带来意外影响。
如果一切按计划进行，这可能是朝着实现更大尺寸封装和面板迈进的又一步。
——格雷戈里·哈利（Gregory Haley）对本文亦有贡献。
Q&A
Q1：负热膨胀材料是什么？它有什么作用？
A：负热膨胀（NTE）材料是一类受热时会收缩而非膨胀的材料。在半导体封装中，它们可以用来抵消其他材料受热膨胀所产生的翘曲问题，帮助大型芯片和封装保持结构稳定。
Q2：为什么芯片封装尺寸越大，翘曲问题就越严重？
A：因为封装、中介层和面板尺寸增大后，粘合区域也随之增大，不同材料之间热膨胀系数不匹配所引发的翘曲效应会被放大，导致边缘连接不良甚至失效，还可能影响真空吸盘等制造设备的正常使用。
Q3：目前有哪些负热膨胀材料已经投入使用？
A：目前应用较多的包括β-锂霞石（用于陶瓷工具部件）和钨酸锆（用作模塑料和底部填充材料的添加剂）。三菱化学集团也推出了可与环氧树脂混合使用的NTE材料，用于半导体封装领域。